王紅芳 胥保華

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，泰安 271018）

蜜蜂腸道微生物的研究并不是近年來新興的話題，早在1921年就有科學(xué)家認(rèn)為新羽化出房的蜜蜂腸道是無菌的［1］。隨后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在成蜂之前（包括幼蟲和蛹），蜜蜂腸道是無菌的［2-3］。Kluge［4］將其腸道的無菌狀態(tài)歸因于幼蟲的食物具有抗菌性。但是在1987年，Gilliam等［5］首次從蜜蜂幼蟲的糞便中分離出了104個(gè)獨(dú)立的菌落，從此推翻了蜜蜂成年之前腸道是無菌狀態(tài)的觀點(diǎn)。直至本世紀(jì)初，蜜蜂腸道微生物的研究進(jìn)入了新的歷史高潮，原因主要有兩點(diǎn)：第一，蜂群崩潰綜合癥（Colony collapse disorder，CCD）在美國乃至歐洲的廣泛爆發(fā)為蜜蜂的健康敲響了警鐘。因此，蜜蜂腸道微生物與其健康的關(guān)系成為全球的研究熱點(diǎn)。第二，作為社會(huì)性昆蟲的代表，蜜蜂可作為研究腸道微生物的模式物種，用于探索腸道微生物與壽命、行為失調(diào)（類似人類抑郁癥）、個(gè)體發(fā)育、社會(huì)行為、表型可塑等方面的關(guān)系［6］。

蜜蜂社會(huì)性的體現(xiàn)包括蜂王與工蜂的級型分化（包括級型間生理、表型、壽命、社會(huì)行為等方面的差異）、工蜂之間的勞動(dòng)分工、三型蜂個(gè)體發(fā)育的差異等。目前已有初步證據(jù)表明蜜蜂腸道微生物與其社會(huì)性之間存在著聯(lián)系。本文就目前的研究進(jìn)展作一簡要綜述。

1 蜜蜂腸道微生物的組成與分布

腸道微生物與宿主之間的共生關(guān)系在動(dòng)物中是普遍存在的，從低等的非脊椎動(dòng)物到高等脊椎動(dòng)物無一例外。蜜蜂作為一種營社會(huì)性群體生活的昆蟲，相比于其他獨(dú)居生活的昆蟲來說，其腸道微生物具有特異性。以工蜂為主要研究對象的試驗(yàn)表明蜜蜂腸道的核心微生物共包括9大類群（占全部微生物的95%以上），涉及5個(gè)綱，分別為Gamma-1（Gilliamella apicola），Gamma-2（Frischella perrara），Beta（Snodgrassella alvi），Alpha-1（Bartonella apis），Alpha-2.1，Alpha-2.2（Parasaccharibacter apium），Bifidobacterium，F(xiàn)irm-4，F(xiàn)irm-5［7-10］。其中 Gamma-1和Beta是9種優(yōu)勢菌群中唯一的兩種革蘭氏陰性菌，其余7種均為革蘭氏陽性菌［11］。從數(shù)量上講，豐度較高的菌主要包括Gamma-1，Beta，F(xiàn)irm-4，F(xiàn)irm-5，而且這4類菌在個(gè)體間的普遍性較高，幾乎每個(gè)個(gè)體中都存在［8，12-14］。Bifidobacterium雖然經(jīng)常呈現(xiàn)相對低的豐度，但是普遍性非常高，在每個(gè)正常個(gè)體中都存在［15-16］。因此，認(rèn)為 Gamma-1，Beta，F(xiàn)irm-4，F(xiàn)irm-5，Bifidobacterium是蜜蜂腸道中最核心的5種優(yōu)勢菌。余下4種在數(shù)量和普遍性上相對較低［12，17-19］。后腸的連接處幽門也有少量菌群分布［20］。蜜囊中含有極少量的細(xì)菌，約占0.007%-0.062%［13］。種類主要包 括 Enterobacteriaceae，Lactobacillus kunkeei，P.apium（Alpha 2.2）［21-23］，對采集蜂蜜囊微生物的分析顯示，L. kunkeei約占25%，Alpha 2.2占42%，Enterobacteriaceae的水平通常也比較高，但變異較大［24］。除此之外還有幾種較為豐富的核心菌，包括Lactobacillussp. Firm 5（8%），G. apicola（6%）和S.alvi（5%）［24］。值得一提的是，蜜囊中具有數(shù)量豐富、種類多樣的乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB），主要由來自乳桿菌屬（Lactobacillus，9株）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium，4株）的13株LAB組成［24-27］。中腸微生物的數(shù)量約占1%-4%［13］，豐度最高的前 5種 菌 分 別 為Tatumellasp.（40%），G. apicola（23%），S. alvi（16%），F(xiàn)rischella perrara（12%），Lactobacillus kalixensis（6%）［28］。幽門是連接前腸和后腸的結(jié)構(gòu)區(qū)域，該區(qū)域的優(yōu)勢菌為F. perrara，同時(shí)也有部分來自后腸的菌群逆流于此［20］?；啬c的細(xì)菌約占4%-10%［13］，優(yōu)勢菌主要是革蘭氏陰性菌，包括S. alvi和G. apicola［13-14］。直腸的細(xì)菌數(shù)目約占87%-94%［13］，優(yōu)勢菌主要包括Lactobacillus Firm-4，Lactobacillus Firm-5，Bifidobacterium等 發(fā) 酵 類的菌［29］。

蜜蜂腸道微生物的分布是貫穿整個(gè)消化道的。其中前腸（蜜囊和中腸）微生物數(shù)量較少，約占全部總量的1%-4%，后腸（回腸和直腸）才是蜜蜂腸道微生物分布的主要場所，占90%以上［13］。在前

2 蜜蜂腸道微生物與社會(huì)性之間的關(guān)聯(lián)

2.1 三型蜂的腸道微生物

蜜蜂社會(huì)由3種類型的蜂組成，分別為蜂王、工蜂和雄蜂，三型蜂在遺傳背景、食物結(jié)構(gòu)、社會(huì)分工上明顯不同。這決定了三者腸道微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)會(huì)存在差異。上述蜜蜂腸道的九大基礎(chǔ)微生物類群是以成年工蜂為對象的試驗(yàn)結(jié)果。雄蜂和蜂王的腸道微生物組成與工蜂的九大類群并無顯著不同，至少?zèng)]有發(fā)現(xiàn)新的級型特異性菌，但是相對豐度上存在明顯變化。從宏基因組測序的數(shù)據(jù)量看，工蜂的腸道菌群數(shù)量龐大，其次是雄蜂，最小是蜂王［30］。蜂王腸道的優(yōu)勢菌主要包括Acetobacteraceae（Alpha2.1 和 Alpha2.2） 和LactobacilliFirm-5［30-31］。前四位最豐富的菌依次是P. apium，Alpha2.1，F(xiàn)irm-4，F(xiàn)irm-5［30］。與工蜂相比，其變化主要體現(xiàn)在乳桿菌屬（Lactobacillus）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）增加，變形菌門的數(shù)量減少（主要Gamma和Beta）［32］。雄蜂腸道具有比蜂王和工蜂豐度更高的LactobacillusFirm-5（75.7%）［30］。Firm-5 的 豐 度 具有明顯的級型特異性和分工特異性，其在雄蜂最高，其次是工蜂，最低是蜂王［30］。

2.2 蜜蜂腸道微生物在級型分化中的作用

蜜蜂的級型分化是指具有相同遺傳物質(zhì)的二倍體受精卵，在幼蟲期不同食物的誘導(dǎo)下發(fā)育成外部形態(tài)、內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)、生理和行為等表型差異巨大的蜂王和工蜂的過程。所以蜂王與工蜂的差異并不是遺傳物質(zhì)造成的，而主要是營養(yǎng)差異導(dǎo)致的。研究發(fā)現(xiàn)敲除胰島素受體底物（Insulin receptor substrate，IRS）可以通過破壞胰島素信號通路（Insulin/Insulin-like signal，IIS）的傳導(dǎo)干擾蜜蜂的級型分化［33］。果蠅中的研究證明腸道菌Acetobacter pomorum可通過激活胰島素信號通路促進(jìn)果蠅的發(fā)育，其代謝產(chǎn)物醋酸發(fā)揮重要作用［34］。事實(shí)證明體型更大蜂王腸道內(nèi)具有比工蜂更豐富的Acetobacteraceae［30-31］。Zheng 等［35］也認(rèn)為蜜蜂腸道的微生物能夠促進(jìn)宿主體重的增加。這些研究證據(jù)表明蜜蜂腸道微生物可能會(huì)通過胰島素信號通路對蜂王和工蜂的級型分化產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。蜜蜂腸道的Bifidobacterium asteroides還能夠刺激宿主產(chǎn)生一些保幼激素的類似物［36］，而保幼激素對蜜蜂級型分化有重要調(diào)節(jié)作用［37-38］。

2.3 工蜂的勞動(dòng)分工與腸道微生物的關(guān)系

研究證明向新蜂接種S. alvi后，感染一種寄生蟲（L. passim）會(huì)降低卵黃原蛋白的表達(dá)［39］，卵黃原蛋白能夠抑制內(nèi)勤蜂向采集蜂轉(zhuǎn)變［40-41］，敲低卵黃原蛋白使工蜂的采集行為提前，還會(huì)提高工蜂的采集力［42］。蜜蜂腸道微生物會(huì)影響機(jī)體生物胺的水平，而生物胺可以調(diào)控蜜蜂的勞動(dòng)分工［43］。上述證據(jù)表明腸道微生物對工蜂的勞動(dòng)分工具有間接的調(diào)節(jié)作用。更直接的試驗(yàn)證據(jù)顯示不同勞動(dòng)分工的工蜂腸道微生物的豐度存在差異，內(nèi)勤蜂腸道的Firm4（Lactobacillus mellis）和Bifidobacteriaceae的豐度高于外勤蜂，F(xiàn)irm5（Lactobacillus melliventris）在哺育蜂腸道的豐度明顯高于采集蜂［30，44］。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，腸道微生物對蜜蜂的其他行為也有影響，例如攝食行為，相比無菌蜂來說，具有正常腸道菌的蜜蜂對蔗糖的敏感性更高，取食量也會(huì)更多［35］。上述研究表明工蜂的社會(huì)分工、行為與腸道微生物之間存在相互作用，腸道微生物可以通過調(diào)節(jié)卵黃原蛋白、生物胺等物質(zhì)間接影響工蜂行為與勞動(dòng)分工，反之，擔(dān)任不同社會(huì)職能的工蜂由于其接觸環(huán)境的差異也會(huì)影響腸道微生物的組成與豐度。

2.4 蜜蜂腸道微生物與壽命的關(guān)系

蜂王與工蜂是蜂群中存在的天然壽命研究模型。二者具有相同的遺傳物質(zhì)，蜂王的壽命可長達(dá)5-6年，非越冬工蜂的壽命只有30 d左右。營養(yǎng)和社會(huì)分工固然在其中發(fā)揮了重要作用。但最新的研究發(fā)現(xiàn)二者壽命的差異與級型間特定的腸道微生物結(jié)構(gòu)有關(guān)，長壽的蜂王腸道菌群與短命工蜂相比，主要差別是乳桿菌屬（Lactobacillus）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）增加，Gamma和Beta變形菌門的數(shù)量減少，而這種菌落結(jié)構(gòu)與羰基化合物（生物學(xué)年齡的代用指標(biāo)）在蜂王脂肪體內(nèi)的積累有關(guān)［32］。卵黃原蛋白作為蜜蜂的一種營養(yǎng)儲(chǔ)備蛋白可調(diào)節(jié)蜜蜂的壽命［45-48］，同時(shí)胰島素信號、保幼激素、氧化應(yīng)激等都與蜜蜂的壽命有著密切的聯(lián)系［35，48-49］，腸道微生物又會(huì)對卵黃原蛋白的表達(dá)［39］、保幼激素的合成［36］、胰島素信號的傳導(dǎo)［34-35］、抗氧化能力［49］產(chǎn)生影響。這些研究提示我們，蜜蜂腸道微生物的區(qū)系結(jié)構(gòu)與其壽命有著密切的聯(lián)系。

3 蜜蜂腸道微生物的功能

腸道微生物除了在蜜蜂社會(huì)性中扮演了重要角色，還具有其他多方面的功能，主要包括激活免疫、抑制病原菌生長、降解食物、促進(jìn)養(yǎng)分吸收、解毒、發(fā)酵蜂蜜和蜂糧等。

蜜蜂腸道微生物可以通過激活先天免疫來影響宿主對病原的敏感性［50］。最直接的證據(jù)是來自于熊蜂（同屬社會(huì)性昆蟲，腸道菌群結(jié)構(gòu)與蜜蜂相似），無菌化處理的熊蜂更易感染寄生蟲［51-52］，且不同的腸道菌對短膜蟲的抗性不同［53］。鑒于益生菌對病原微生物的抑制功能，有研究向蜜蜂幼蟲中接種了乳酸桿菌和雙歧桿菌，認(rèn)為其對芽孢桿菌（Paenibacillus larvae，美洲幼蟲腐臭病的病原菌）［54］和蜂房球菌（Melissococcus plutonius，歐洲幼蟲腐臭病的病原菌）具有抑制效果［55］。

蜜蜂腸道微生物能夠幫助宿主消化食物中的大分子物質(zhì)?；ǚ奂?xì)胞壁中含有大量難降解的多糖，在Gamma，F(xiàn)irm和Bifidobacterium均發(fā)現(xiàn)了大量編碼碳水化合物降解酶的基因，其中G.apicola能夠降解果膠（植物細(xì)胞壁的主要成分）［56］，Bifido含有大量碳水化合物利用相關(guān)的基因［16，57］，LactobacillusFirm-5編碼了大量磷酸酶系統(tǒng)的成員，主要涉及糖的吸收［45］。Bifidobacterium和LactobacillusFirm-5 含有許多海藻糖（昆蟲用于儲(chǔ)備能量的二糖）生物合成與利用相關(guān)的基因［57-58］。這些基因所編碼的酶系統(tǒng)能有效的幫助蜜蜂利用花粉和花蜜中的營養(yǎng)物質(zhì)。

蜜 蜂 腸 道 中 的G. apicola，F(xiàn). perrara，LactobacillusFirm-4，LactobacillusFirm-5和Bifidobacterium等大部分菌都能利用葡萄糖和果糖（蜜蜂日糧中的主要糖），而有些菌株卻能利用甘露糖、阿拉伯糖、棉子糖、半乳糖、乳糖等蜜蜂本身難以消化的糖，這些糖普遍對蜜蜂有毒，因此，腸道微生物也具有解毒功能［29］。蜜蜂腸道大部分菌中都包含一個(gè)“阿拉伯糖外流通透酶（Arabinose efflux permease）”，認(rèn)為其與糖、多肽、藥物的進(jìn)出細(xì)胞有關(guān)［56］。同時(shí)宏基因組數(shù)據(jù)顯示蜜蜂腸道微生物含有一類高變異的蛋白質(zhì)，其與耐藥性相關(guān)的外排泵是同源類似物［56］，這些功能可能都與解毒作用相關(guān)。

蜜蜂腸道中含有大量發(fā)酵類的菌群，例如Lactobacillus、Bifidobacterium、G. apicola和P. apium等，其中蜜囊中含有大量LAB，可能參與蜂蜜的發(fā)酵，所以蜂蜜并不是簡單糖的組合，而是一種發(fā)酵產(chǎn)品。P. apium在蜂王腸道、幼蟲、蜂糧中很豐富，但工蜂腸道相對少［18，23，58］，有趣的是P. apium在蜂王漿這種具有抑菌作用的液體中有檢出［18］，它似乎更耐受一些高糖、高酸度、有氧的環(huán)境，推測其與蜂糧和蜂蜜的發(fā)酵密切相關(guān)。報(bào)道多是間接來自于宏基因組的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，尚缺乏更直接的證據(jù)。其次，理論研究還沒有真正服務(wù)于養(yǎng)蜂生產(chǎn)。例如，有些腸道菌具有抑制病原微生物的功能，可以應(yīng)用于蜂病防控領(lǐng)域。最后，蜜蜂是研究腸道微生物與壽命關(guān)系的天然模型。二者的關(guān)聯(lián)機(jī)制仍需深入研究。這些基礎(chǔ)理論問題都是我們未來研究蜜蜂腸道微生物需要考慮的方向。

4 展望

近年來，關(guān)于蜜蜂腸道微生物的研究已取得了良好的進(jìn)展?；玖私饬嗣鄯淠c道微生物的結(jié)構(gòu)模式（優(yōu)勢種、豐度、分布等）。但仍然存在很多未知和有待開發(fā)利用之處。首先，9大優(yōu)勢菌種對宿主的功能研究不深入。目前關(guān)于蜜蜂腸道菌群的功能